張士朋1，劉震順2,，吳高峰，劉省勇1，甄洪棟，劉翠波

(1.大亞灣核電運營管理有限責任公司，廣東深圳 518000；2.清華大學 深圳國際研究生院，廣東深圳 518055；3.深圳中廣核工程設計有限公司，廣東深圳 518026)

0 引言

BOSS頭是核電廠管道與小管徑支管之間一種常見的連接形式。近年來，在核電廠的常規(guī)維修檢查過程中發(fā)現(xiàn)部分BOSS頭焊縫存在夾渣、裂紋等缺陷。常規(guī)的更換方案往往容易受到備件數(shù)量、維修空間、維修工期、輻照劑量等因素的制約，在較短的時間內(nèi)無法達到預期的維修效果，影響核電廠的發(fā)電效率和經(jīng)濟效益?？筛鶕?jù)核電廠相應的設計規(guī)范和在役檢查規(guī)范對這些缺陷的處置方案進行合理的力學評估，分析采用最優(yōu)化的維修策略，避免對核電廠的發(fā)電效率和經(jīng)濟效益產(chǎn)生嚴重影響。

評價BOSS頭焊縫缺陷的規(guī)范主要涉及核電廠的設計規(guī)范和在役檢查規(guī)范。如果對于含缺陷的BOSS頭采用備件更換和重新焊接的維修策略，對應的評價規(guī)范為核電廠的設計規(guī)范，如RCC-M,ASME等。如果對于含缺陷的BOSS頭采用挖補回焊或者保留缺陷一個換料周期再進行更換的維修策略，對應的評價規(guī)范為核電廠的在役檢查規(guī)范，代表性的規(guī)范有英國的R6,BS7910，歐洲的SINTAP,RSE-M，美國的ASME Ⅺ卷[1]，中國的GB/T 19624等。上述缺陷評價標準都有一定的理論基礎(chǔ)，并與試驗相結(jié)合進行了修正，每種標準都可以完成管道缺陷的評價。

雖然國內(nèi)主要核電設計院已經(jīng)有40余年的核電工程設計和服務經(jīng)驗，但是在在役核電站的技術(shù)服務中，還較少開展過含缺陷的管道的評價，國內(nèi)對相關(guān)標準中管道缺陷評價方法的研究還較少拓展到核電站的領(lǐng)域[2]。本文依據(jù)ASME規(guī)范Ⅺ卷分析結(jié)果，探索研究某核電廠管道BOSS頭含缺陷焊縫的最佳處置方案，在保證安全性的前提下，避免維修時間過長造成發(fā)電日期延誤，為后續(xù)類似問題的處理提供計算經(jīng)驗。

1 分析對象

1.1 缺陷描述

某核電廠核一級管道BOSS頭的焊縫檢查中，發(fā)現(xiàn)較大尺寸缺陷。該BOSS頭位于安注系統(tǒng)管道與儀表管的連接位置，該區(qū)域接近反應堆主管道熱管段，BOSS頭高度60 mm，焊縫位置最小壁厚28 mm。BOSS頭和焊縫的具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 BOSS頭和焊縫結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)現(xiàn)場無損檢測信息，缺陷部位和形狀如圖2所示。

圖2 缺陷位置及裂紋方向示意

裂紋面垂直于BOSS頭內(nèi)部介質(zhì)流向，裂紋方向為BOSS頭焊縫環(huán)向。外部裂紋距離BOSS頭根部18 mm，深度為3 mm。內(nèi)部夾渣缺陷距離BOSS頭根部6 mm，深度為8 mm。保守假設缺陷和裂紋均為環(huán)向360°平面裂紋。

1.2 瞬態(tài)載荷

保守考慮缺陷所在位置經(jīng)歷的電廠運行瞬態(tài)載荷如表1所示。

表1 瞬態(tài)載荷

1.3 自重、熱膨脹、地震載荷

BOSS頭部位各運行瞬態(tài)下的自重、熱膨脹和地震載荷，由其所處管系計算單元的力學分析結(jié)果中提取，在評估過程中以力和彎矩的形式施加在分析模型上，如圖3所示。

圖3 載荷施加示意

1.4 焊接殘余應力

ASME規(guī)范Ⅺ卷中明確規(guī)定了在裂紋擴展分析時需要考慮焊接殘余應力[1-9]。

根據(jù)現(xiàn)場的焊層焊道布置，焊接熱輸入時程，應用有限元法進行三維實體有限元傳熱分析和熱應力計算，提取計算結(jié)果作為載荷施加到計算模型中，以體載荷的形式考慮其對裂紋對應力強度因子的影響。

ASME規(guī)范研究小組通過試驗數(shù)據(jù)和有限元分析結(jié)果[3]，給出當管道壁厚不小于25.4 mm時，管壁中軸向殘余應力分布情況如下式：

σ=σi[1.0-6.91(a/t)+8.69(a/t)2

-0.48(a/t)3-2.03(a/t)4]

(1)

式中,σi為其他所有考慮載荷作用下管道內(nèi)壁的應力值，MPa；a為與管道內(nèi)壁的距離，mm；t為管道壁厚，mm。

1.5 材料特性

母材為Z2CN1812，焊材為308L，原接頭焊接工藝為現(xiàn)場手工焊SMAW，保守采用340 ℃工況下的材料性能下限值如表2所示。

表2 材料性能

2 備選維修方案簡述

針對該含缺陷BOSS頭連接部位，項目進度要求在20個工作日內(nèi)完成處置，主要的維修方案如下。

(1)方案1：更換該部位管部件，重新焊接，通過無損檢測保證焊接質(zhì)量。項目上遇到的困難是備件不足，聯(lián)系廠家重新采購備件要花費接近2個月的時間。

(2)方案2：根據(jù)ASME規(guī)范Ⅺ卷，對已經(jīng)存在的內(nèi)外部缺陷進行剩余壽命評估，驗證其在一個換料周期之后開始更換維修是否滿足規(guī)范要求。

(3)方案3：挖除20 mm深度外側(cè)焊縫，去除內(nèi)部夾渣，將原夾渣占位空隙進行焊接充填，然后回焊20 mm的外側(cè)焊縫至原挖除焊縫厚度，挖除外側(cè)焊縫后結(jié)構(gòu)形式見圖4。保守假設原來夾渣處仍然存在環(huán)向平面裂紋，根據(jù)ASME規(guī)范Ⅺ卷評估其是否滿足要求，并通過無損檢測技術(shù)驗證焊接質(zhì)量。

圖4 內(nèi)部缺陷示意

3 含缺陷焊縫的力學分析

3.1 有限元模型

應用ANSYS軟件創(chuàng)建BOSS頭部位的三維實體模型進行瞬態(tài)溫度場分析與結(jié)構(gòu)應力分析。該模型劃分為1 996 789個計算單元，如圖5所示。瞬態(tài)溫度場分析采用Solid 70單元，結(jié)構(gòu)應力分析采用Solid 185單元。

圖5 有限元模型示意

根據(jù)分析結(jié)果中沿焊縫壁厚方向的應力分布情況，確定若干應力提取路徑見圖6。

圖6 焊縫應力提取路徑

3.2 瞬態(tài)溫度場分析

考慮主管和支管內(nèi)壁與流體介質(zhì)之間的強制對流換熱，管道外壁與環(huán)境之間的自然對流換熱和輻射傳熱[3]，如圖7所示。圖中，h1為主管內(nèi)壁強制對流換熱系數(shù)；h2為主管外壁自然對流換熱與輻射換熱系數(shù)；h3為BOSS頭及支管管道內(nèi)壁強制對流換熱系數(shù)；h4為BOSS頭及支管外壁自然對流換熱與輻射換熱系數(shù)[4]。

圖7 瞬態(tài)溫度場分析邊界條件

換熱系數(shù)計算結(jié)果如圖8所示。熱瞬態(tài)載荷作用下，某個時刻點焊縫部位的溫度場分析結(jié)果如圖9所示。

圖8 各位置的換熱系數(shù)

圖9 某時刻焊縫溫度場

3.3 結(jié)構(gòu)應力分析

將一系列時間點的瞬態(tài)溫度場作為體載荷時間導入到每個計算單元，并在模型端部以力和彎矩的形式施加自重、地震、內(nèi)壓和熱膨脹載荷作用下整個管系對該計算部位的內(nèi)部反力。地震載荷的方向具有隨機性，需要按照任意方向進行試算，以得到最保守的結(jié)果。

求解該單位實體模型的瞬態(tài)應力場。某個時刻點焊縫部位的應力云圖見圖10。

圖10 某時刻焊縫部位應力場

3.4 應力強度因子計算

基于ASME規(guī)范Ⅺ卷[1]和每個瞬態(tài)載荷作用下各個時間點的結(jié)構(gòu)應力場分析結(jié)果，考慮裂紋尖端區(qū)域材料的塑性效應，可得表面裂紋尖端部位的應力強度因子時程曲線，如圖11，12所示。

圖11 內(nèi)部缺陷的應力強度因子時程曲線

圖12 外部裂紋的應力強度因子時程曲線

3.5 裂紋擴展分析

在壓水堆環(huán)境下，奧氏體不銹鋼管道及其焊縫中裂紋擴展速率計算[1，10]公式為：

(2)

裂紋的應力腐蝕擴展速率采用下式計算[1]：

(3)

式中，ASCC為擴展速率系數(shù)；KI為Ⅰ型裂紋應力強度因子，MPa·m1/2;η為擴展速率指數(shù)。

如本文第2節(jié)所述，分別評估處置方案2內(nèi)外部裂紋的擴展深度之和與處置方案3內(nèi)部裂紋的擴展深度。根據(jù)應力強度因子的時程曲線，計算在3類瞬態(tài)載荷的累積作用下，一個換料周期(18個月)時間內(nèi)裂紋生長過程,如圖13所示。

圖13 一個換料周期內(nèi)裂紋生長過程示意

3.6 裂紋穩(wěn)定性分析

在ASME規(guī)范Ⅺ卷中，需要根據(jù)含缺陷結(jié)構(gòu)的失效模式選擇裂紋穩(wěn)定性評價模式[1-6]，不同失效過程對應的評估準則各不相同。奧氏體不銹鋼管道及其焊縫材料可選用全塑性斷裂的驗收準則(對應管道全截面的屈服失效)如下：

af≤min(an,ao)

(4)

式中,af為至評定期末，通過計算發(fā)現(xiàn)的缺陷擴展到最大的深度，mm;an為正常運行工況(包括異常和試驗)下，評定期末缺陷長度對應的最大允許缺陷深度，mm;ao為緊急和事故工況下，評定期末缺陷長度對應的最大允許缺陷深度，mm。

首先計算規(guī)范A,B,C,D準則級別對應的載荷組合作用下的最大應力和應力比，并結(jié)合裂紋和管道結(jié)構(gòu)的幾何尺寸參數(shù)，在ASME規(guī)范Ⅺ卷表格C-5310-1，C-5310-2，C-5310-3，C-5310-4中采用線性插值的方法確定裂紋深度限值，并取4個準則級別下的最小值作為評定限值，如表3所示。

表3 許用臨界裂紋深度

4 結(jié)果與討論

4.1 處置方案比選

本文所述3種備選方案的力學評估結(jié)果見表4，綜合3種備選方案的信息見表5。

表4 力學評估結(jié)果

表5 處置方案優(yōu)化比選

經(jīng)計算分析，優(yōu)選維修方案3可在保證核安全的前提下避免因發(fā)電延誤造成核電廠較大的經(jīng)濟損失。

4.2 敏感系統(tǒng)瞬態(tài)的識別與優(yōu)化

在初始裂紋尺寸相同的條件下，整理分析單位循環(huán)次數(shù)下的系統(tǒng)瞬態(tài)發(fā)生時對裂紋擴展深度的影響見表6。

表6 電廠瞬態(tài)對裂紋生長的影響分析結(jié)果

研究表明，BOSS頭焊縫內(nèi)裂紋的生長對系統(tǒng)瞬態(tài)3載荷最為敏感，在后續(xù)一個換料周期內(nèi)，可根據(jù)該分析結(jié)果制訂優(yōu)化的運行規(guī)程，或者選擇可替代的運行方案，減少瞬態(tài)3的發(fā)生次數(shù)。以此作為BOSS頭焊縫缺陷臨時處置方案中的補充措施。

5 結(jié)論

依據(jù)ASME規(guī)范Ⅺ卷相關(guān)內(nèi)容，以某核級管道含缺陷BOSS頭焊縫為例，根據(jù)現(xiàn)場探測的缺陷信息采取保守假設，對3種不同的處置維修方案進行了力學評估分析和方案比選，分析結(jié)果如下。

(1)該BOSS頭焊縫缺陷如果不采取維修措施,不滿足規(guī)范的評定要求。

(2)經(jīng)分析對比，對該BOSS頭焊縫采取挖補臨時維修，一個換料周期后再切割更換的方案可行，是最佳策略。既能滿足核電安全性要求，又可以獲得較高的經(jīng)濟效益，避免造成發(fā)電延誤。

(3)經(jīng)分析識別，焊縫內(nèi)的裂紋生長對瞬態(tài)3載荷最為敏感，作為BOSS頭焊縫缺陷處置方案的一部分，可在采取臨時挖補維修之后，永久切割更換備件之前，對系統(tǒng)運行策略進行優(yōu)化，減少敏感瞬態(tài)的發(fā)生次數(shù)。